將電信號轉(zhuǎn)換為光信號的電光調(diào)制器是長距離電信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組成部分。幾十年來，鈮酸鋰(LN)調(diào)制器已成為主力技術(shù)，但是這些體積龐大，耗電量大的器件已經(jīng)證明不適合集成在芯片級的電路上。這對于推動低功耗，超低損耗光子電路的發(fā)展非常不利，而且還阻礙了下一代通信、數(shù)據(jù)密集型傳統(tǒng)計算和量子信息處理技術(shù)的進(jìn)步。
圖1 哈佛——諾基亞貝爾實驗室的工作已將傳統(tǒng)鈮酸鋰(LN)電光調(diào)制器(右)所體現(xiàn)的技術(shù)縮小為芯片級器件(中心)，據(jù)報道其效率提高了20倍
現(xiàn)在，由哈佛大學(xué)的OSA研究員Marko Lon?ar和諾基亞貝爾實驗室的Peter Winzer領(lǐng)導(dǎo)的研究小組已經(jīng)設(shè)計出一種從根本上縮小LN調(diào)制器的尺寸和驅(qū)動電壓的方法(Nature，doi：10.1038 / s41586-018-0551-y)。結(jié)果是器件比現(xiàn)有的調(diào)制器小100倍，效率高20倍，而且還有一個用于片上集成的器件。研究人員設(shè)想新的調(diào)制器在從微波信號處理到光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算的高帶寬數(shù)據(jù)通信和其他領(lǐng)域的可重構(gòu)光學(xué)電路中具有廣闊的應(yīng)用空間。
多年來，由于鈮酸鋰具有優(yōu)異的電光性能，LN調(diào)制器得到了認(rèn)可。特別地，LN晶體中的對稱特性導(dǎo)致強烈的Pockels效應(yīng)(即，隨著外加電場，材料的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化)。反過來，這些材料特性意味著微小的施加電壓變化可以在超快，飛秒時間尺度上改變晶體的折射率。當(dāng)您嘗試將現(xiàn)有電信網(wǎng)絡(luò)中常見的鋼筆大小的LN調(diào)制器縮小到可安裝在芯片上大小時，就會出現(xiàn)問題。由于將波導(dǎo)蝕刻到鈮酸鋰中的基本挑戰(zhàn)，因此電流產(chǎn)生型NB調(diào)制器必須依賴于具有相對大的模式尺寸和較小的光限制波導(dǎo)。這個缺點反過來又對其他設(shè)計細(xì)節(jié)施加了限制，迫使調(diào)制器在3到5 V的驅(qū)動電壓下工作，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通常CMOS電路正常工作所需的大約1 V電平。因此，LN調(diào)制器需要電放大，就要保持其大尺寸和大功耗。研究人員已經(jīng)研究了其他材料，包括硅，磷化銦，聚合物和彈性表面，以開發(fā)芯片級調(diào)制器。不幸的是，這些替代方案都沒有將LN調(diào)制器所具有的引人注目的電光特性組合在一起。
這項新工作背后的團隊決定再次嘗試制造芯片級LN調(diào)制器。為此，他們借鑒了Marko Lon?ar實驗室以前的工作，該實驗室采用了一種完全不同的方法來蝕刻鈮酸鋰(Optica，doi：10.1364 / OPTICA.4.001536)。在之前的工作中，也涉及當(dāng)前研究的兩位共同主要作者，Cheng Wang(現(xiàn)在香港城市大學(xué))和Mian Zhang團隊使用的技術(shù)，包括包括在CMOS兼容的絕緣層上鋪設(shè)單晶600nm厚的LN薄膜。這種更易于蝕刻的材料組合，加上優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)等離子蝕刻工藝的調(diào)整，使得研究小組能夠?qū)Φ蛽p耗的LN亞波長波導(dǎo)進(jìn)行干蝕刻，并將其制作成高質(zhì)量的微環(huán)諧振器。
圖2 集成調(diào)制器由Mach-Zehnder干涉儀配置的鈮酸鋰(LN)波導(dǎo)組成。隨著電信號進(jìn)入調(diào)制器，由于LN的強Pockels效應(yīng)，周圍電場的變化被轉(zhuǎn)換為波導(dǎo)中折射率的變化，從而允許將電信號轉(zhuǎn)換為光信號
對于這項新研究，該團隊采用相同的技術(shù)在行波Mach-Zehnder干涉儀配置中制造集成調(diào)制器，其中LN波導(dǎo)作為干涉儀臂。在施加的電壓時波導(dǎo)穿過介電間隙，在兩個干涉儀臂上施加相反符號的微波電場。該場通過鈮酸鋰中的Pockels效應(yīng)，以相反的方式改變兩個干涉儀臂中的光學(xué)相位，將電壓信號變?yōu)楣鈱W(xué)信號。
通過他們改進(jìn)的蝕刻鈮酸鋰方法，研究人員發(fā)現(xiàn)他們能夠制造出一個長1厘米，寬0.5厘米的調(diào)制器，比傳統(tǒng)的LN調(diào)制器小100倍。調(diào)制器要求的驅(qū)動電壓僅為1.4 V，在CMOS電路直接驅(qū)動的范圍內(nèi)，無需大體積放大器。而且這種器件可以支持高達(dá)210 Gbit / s的數(shù)據(jù)傳輸速率，采用更先進(jìn)的調(diào)制器設(shè)計，速率高達(dá)1 Tbit / s?！斑@就像蟻人一樣”，主要作者王在新聞發(fā)布會上說。“越小越快越好。”根據(jù)Peter Winzer的說法，這種新調(diào)制器的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是它將加速在單個芯片上移動光學(xué)和電子設(shè)備的發(fā)展——為未來的光纖輸入，光纖輸出光電處理引擎鋪平道路，其結(jié)果可能是各種快速，低損耗的光子電路和應(yīng)用。
特別令人感興趣的是，該研究得出結(jié)論，該器件具有低光損耗，良好的電光響應(yīng)，集成和可擴展性的優(yōu)勢，可以幫助創(chuàng)建“新一代有源集成光電子電路，可以使用焦耳的電能在皮秒時間尺度上重新配置電能的焦耳。“該團隊認(rèn)為，這些電路可用于微波光子學(xué)，量子網(wǎng)絡(luò)，拓?fù)涔庾与娐泛凸庾由窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。
哈佛大學(xué)的技術(shù)開發(fā)辦公室與Marko Lon?ar的實驗室一起創(chuàng)建了一家初創(chuàng)公司HyperLight，以將與此項工作相關(guān)的基礎(chǔ)知識產(chǎn)權(quán)組合商業(yè)化。
信息來源：Optics Photonics